CN104822211A - 一种高可靠性led照明装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高可靠性LED照明装置，包括电连接的开关电源、充电电路、升压电路、锂电池、LED恒流驱动电路和LED灯，所述开关电源包括具有中间抽头变压器的三相共振变换器。本发明提供的高可靠性LED照明装置的利用具有中间抽头变压器的三相共振变换器的开关电源的形式可实现能量回馈的同时，利用电感和开关元件的寄生电容形成软开关形式，没有多余的功率电容，其损耗低，功率密度高，可提高电路的工作寿命和可靠性。

Description

一种高可靠性LED照明装置

技术领域

本发明属于电子照明领域，特别涉及一种适用于施工场地的高可靠性LED照明装置。

背景技术

施工场地特别是隧道、地下工程等现场，施工时对照明灯有很高的要求，不仅要求照明灯有较高亮度及可靠性，还必须保证照明要不间断。目前，施工场地常用的传统照明灯，如白炽灯、日光灯、高压钠灯等都由交流电网供电，由于施工现场复杂，不可避免会出现停电事故。为了确保工地不间断照明，通常安装由整流器、蓄电池和逆变器等组成的应急照明电源，当电网正常供电时，交流电经整流器给蓄电池充电，当电网中断时，蓄电池通过逆变器给照明灯具供电，这种不间断照明***的成本高、体积大，同时经过多次变换损耗功率也较大。

目前传统的照明装置在满足了照明工具功能的同时，多使用开关电源进行开合，传统的照明装置所使用的开关电源的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节；一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低，通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值，最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压；

但使用上述所使用的开关电源的照明装置存在开关损耗、在断开开关元件时会产生的冲击电压以及因电压不稳而导致的照明装置工作稳定性差，其损耗高，功率密度低，工作寿命和可靠性低的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，是针对以上不足，提供一种LED不间断照明装置，尤其是一种具有中间抽头变压器的三相共振变换器的电源开关的高可靠性LED不间断照明装置，该照明装置能够实现不间断供电，而且效率高；其损耗低，功率密度高，可提高照明装置的工作寿命和可靠性。

本发明通过以下技术方案实现上述目的：

针对现有的照明装置存在的技术缺点，重新设计包括电连接的开关电源、充电电路、升压电路、锂电池、LED恒流驱动电路和LED灯，所述开关电源包括具有中间抽头变压器的三相共振变换器。

进一步的，其拓扑结构为：包括输入电压Uin、原边和副边都具有中间抽头的变压器T，且具有3组副边绕组，开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、电感L1、L2、L3。上述开关元件可为IGBT，二极管为快恢复二极管。

进一步的，具体连接关系为：包括输入电压Uin、原边和副边都具有中间抽头的变压器T、开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、电感L1、L2、L3和控制器，所述各开关管具有反并联的寄生二极管和寄生电容，所述变压器T具有3个副边绕组，第一副边绕组为N3、N4，第二副边绕组为N5、N6，第三副边绕组为N7、N8；

进一步的，原边绕组中间抽头上半部分绕组的异名端连接二极管D1的阳极，原边绕组中间抽头下半部分绕组的同名端连接二极管D2的阳极，原边绕组中间抽头上半部分绕组N1的同名端和原边绕组中间抽头下半部分绕组N2的异名端的连接点与输入电压Uin的正端相连接，输入电压Uin的负端连接二极管D1、D2的阴极；

进一步的，第一输出相的结构为：输入电压Uin的正端连接开关元件S1、S3的集电极，输入电压Uin的负端连接开关元件S2、S4的发射极；开关元件S1的发射极连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接第一副边绕组中间抽头上半部分绕组的同名端，第一副边绕组中间抽头上半部分绕组N3的异名端与第一副边绕组中间抽头下半部分绕组N4的同名端连接，且其连接点与电感L1的一端连接，第一副边绕组中间抽头下半部分绕组的异名端与二极管D4的阳极连接，二极管D4的阴极连接开关元件S2的集电极；开关元件S3的发射极与开关元件S4的集电极相连接，且其连接点与电感L1的另一端以及负载相连接；

进一步的，第二输出相的结构为：输入电压Uin的正端连接开关元件S5、S7的集电极，输入电压Uin的负端连接开关元件S6、S8的发射极；开关元件S5的发射极连接二极管D5的阳极，二极管D5的阴极连接第二副边绕组中间抽头上半部分绕组的同名端，第二副边绕组中间抽头上半部分绕组N5的异名端与第二副边绕组中间抽头下半部分绕组N6的同名端连接，且其连接点与电感L2的一端连接，第二副边绕组中间抽头下半部分绕组的异名端与二极管D6的阳极连接，二极管D6的阴极连接开关元件S6的集电极；开关元件S7的发射极与开关元件S8的集电极相连接，且其连接点与电感L2的另一端以及负载相连接；

进一步的，第三输出相的结构为：输入电压Uin的正端连接开关元件S9、S11的集电极，输入电压Uin的负端连接开关元件S10、S12的发射极；开关元件S9的发射极连接二极管D7的阳极，二极管D7的阴极连接第三副边绕组中间抽头上半部分绕组的同名端，第三副边绕组中间抽头上半部分绕组N7的异名端与第三副边绕组中间抽头下半部分绕组N8的同名端连接，且其连接点与电感L3的一端连接，第三副边绕组中间抽头下半部分绕组的异名端与二极管D8的阳极连接，二极管D8的阴极连接开关元件S10的集电极；开关元件S11的发射极与开关元件S12的集电极相连接，且其连接点与电感L3的另一端以及负载相连接；控制器控制开关S1和S2交替导通、S3和S4交替导通、S5和S6交替导通、S7和S8交替导通、S9和S10交替导通、S11和S12交替导通，各输出相通过各自电感L1、L2、L3和各开关元件的杂散电容构成的共振回路，在各开关元件的端电压为0时导通各开关元件，从而实现零电压开通。

进一步的，所述的开关管为IGBT或MOSFET。

进一步的，所述输入电压为蓄电池、燃料电池或光伏电池。

进一步的，所述的各二极管为快恢复二极管或者肖特基二极管。

进一步的，所述负载为三相交流负载或者三相整流电路。

进一步的，所述充电电路包括集成电路、电阻、电容、稳压管、电感、负温度系数电阻。

与现有技术相比，本发明所述的高可靠性LED不间断照明装置具有下列优点：

本发明的具有中间抽头变压器的三相共振变换器的电源开关的高可靠性LED照明装置利用中间抽头变压器的形式可实现能量回馈的同时，利用电感和开关元件的寄生电容形成软开关形式，没有多余的功率电容，其损耗低，功率密度高，可提高电路的工作寿命和可靠性。

附图说明

图1：本发明的高可靠性LED照明装置的电路框图；

图2：本发明的具有中间抽头变压器的三相共振变换器的结构示意图；

图3：开关元件S1、S2、S3、S4的控制脉冲时序图。

其中，1—开关电源、2—充电电路、3—升压电路、4—锂电池、5—LED恒流驱动电路、6—LED灯、Uin—输入电压、T—中间抽头的变压器、S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12—开关元件、D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8—二极管、L1、L2、L3—电感、N1—原边绕组中间抽头上半部分绕组、N2—原边绕组中间抽头下半部分绕组、N3、N4—第一副边绕组，N5、N6—第二副边绕组，N7、N8—第三副边绕组。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的高可靠性LED照明装置的电路框图，包括电连接的开关电源1、充电电路2、升压电路3、锂电池4、LED恒流驱动电路5、LED灯6，充电电路2包括未在图中显示的集成电路、电阻、电容、稳压管、电感、负温度系数电阻NTCP沟道MOS场效应管、P沟道MOS场效应管。

如图2所示，开关电源1中的三相共振变换器包括输入电压Uin、原边和副边都具有中间抽头的变压器T、开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、电感L1、L2、L3和控制器，所述各开关管具有反并联的寄生二极管和寄生电容，所述变压器T具有3个副边绕组，第一副边绕组为N3、N4，第二副边绕组为N5、N6，第三副边绕组为N7、N8；

原边绕组中间抽头上半部分绕组的异名端连接二极管D1的阳极，原边绕组中间抽头下半部分绕组的同名端连接二极管D2的阳极，原边绕组中间抽头上半部分绕组N1的同名端和原边绕组中间抽头下半部分绕组N2的异名端的连接点与输入电压Uin的正端相连接，输入电压Uin的负端连接二极管D1、D2的阴极；

第一输出相的结构为：输入电压Uin的正端连接开关元件S1、S3的集电极，输入电压Uin的负端连接开关元件S2、S4的发射极；开关元件S1的发射极连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接第一副边绕组中间抽头上半部分绕组的同名端，第一副边绕组中间抽头上半部分绕组N3的异名端与第一副边绕组中间抽头下半部分绕组N4的同名端连接，且其连接点与电感L1的一端连接，第一副边绕组中间抽头下半部分绕组的异名端与二极管D4的阳极连接，二极管D4的阴极连接开关元件S2的集电极；开关元件S3的发射极与开关元件S4的集电极相连接，且其连接点与电感L1的另一端以及负载相连接；

第二输出相的结构为：输入电压Uin的正端连接开关元件S5、S7的集电极，输入电压Uin的负端连接开关元件S6、S8的发射极；开关元件S5的发射极连接二极管D5的阳极，二极管D5的阴极连接第二副边绕组中间抽头上半部分绕组的同名端，第二副边绕组中间抽头上半部分绕组N5的异名端与第二副边绕组中间抽头下半部分绕组N6的同名端连接，且其连接点与电感L2的一端连接，第二副边绕组中间抽头下半部分绕组的异名端与二极管D6的阳极连接，二极管D6的阴极连接开关元件S6的集电极；开关元件S7的发射极与开关元件S8的集电极相连接，且其连接点与电感L2的另一端以及负载相连接；

第三输出相的结构为：输入电压Uin的正端连接开关元件S9、S11的集电极，输入电压Uin的负端连接开关元件S10、S12的发射极；开关元件S9的发射极连接二极管D7的阳极，二极管D7的阴极连接第三副边绕组中间抽头上半部分绕组的同名端，第三副边绕组中间抽头上半部分绕组N7的异名端与第三副边绕组中间抽头下半部分绕组N8的同名端连接，且其连接点与电感L3的一端连接，第三副边绕组中间抽头下半部分绕组的异名端与二极管D8的阳极连接，二极管D8的阴极连接开关元件S10的集电极；开关元件S11的发射极与开关元件S12的集电极相连接，且其连接点与电感L3的另一端以及负载相连接；

以第一输出相为例：第一输出相的各开关元件S1～S4由控制器按照图3的脉冲时序图进行交替导通和关断；由电路结构和上述脉冲时序图可知，在S1、S2关断期间，原边绕组中的能量通过二极管D1、D2回馈到输入电源，且控制器控制S3或S4其中之一导通，通过电感L和开关管S1、S2的寄生电容构成共振回路，在S1、S2的端电压为0时导通S1或者S2，实现零电压开通；在S3、S4关断期间，控制器控制S1或S2其中之一导通，通过电感L和开关管S3、S4的寄生电容构成的共振回路，在S3、S4的端电压为0时导通S3或者S4，从而实现零电压开通。其他两个输出相的驱动脉冲按照对应关系分别超前或者滞后120°，控制方式与第一输出相类似，属于基本的移相控制方式，不再赘述。

开关元件S可以替换为MOSFET，输入电源为可充电蓄电池、燃料电池或光伏电池等。负载可以为三相交流负载或者进一步三相整流供直流负载使用，整流的形式均是现有技术，不再赘述。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所述领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者同等替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种高可靠性LED照明装置，包括电连接的开关电源、充电电路、升压电路、锂电池、LED恒流驱动电路和LED灯，其特征在于，所述开关电源包括三相变换器。

2.如权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述三相变换器包括输入电压Uin、原边和副边都具有中间抽头的变压器T、开关元件S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10、S11、S12、二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、电感L1、L2、L3和控制器，所述各开关管具有反并联的寄生二极管和寄生电容，所述变压器T具有3个副边绕组，第一副边绕组为N3、N4，第二副边绕组为N5、N6，第三副边绕组为N7、N8；

原边绕组中间抽头上半部分绕组的异名端连接二极管D1的阳极，原边绕组中间抽头下半部分绕组的同名端连接二极管D2的阳极，原边绕组中间抽头上半部分绕组N1的同名端和原边绕组中间抽头下半部分绕组N2的异名端的连接点与输入电压Uin的正端相连接，输入电压Uin的负端连接6二极管D1、D2的阴极；

第一输出相的结构为：输入电压Uin的正端连接开关元件S1、S3的集电极，输入电压Uin的负端连接开关元件S2、S4的发射极；开关元件S1的发射极连接二极管D3的阳极，二极管D3的阴极连接第一副边绕组中间抽头上半部分绕组的同名端，第一副边绕组中间抽头上半部分绕组N3的异名端与第一副边绕组中间抽头下半部分绕组N4的同名端连接，且其连接点与电感L1的一端连接，第一副边绕组中间抽头下半部分绕组的异名端与二极管D4的阳极连接，二极管D4的阴极连接开关元件S2的集电极；开关元件S3的发射极与开关元件S4的集电极相连接，且其连接点与电感L1的另一端以及负载相连接；

第二输出相的结构为：输入电压Uin的正端连接开关元件S5、S7的集电极，输入电压Uin的负端连接开关元件S6、S8的发射极；开关元件S5的发射极连接二极管D5的阳极，二极管D5的阴极连接第二副边绕组中间抽头上半部分绕组的同名端，第二副边绕组中间抽头上半部分绕组N5的异名端与第二副边绕组中间抽头下半部分绕组N6的同名端连接，且其连接点与电感L2的一端连接，第二副边绕组中间抽头下半部分绕组的异名端与二极管D6的阳极连接，二极管D6的阴极连接开关元件S6的集电极；开关元件S7的发射极与开关元件S8的集电极相连接，且其连接点与电感L2的另一端以及负载相连接；

第三输出相的结构为：输入电压Uin的正端连接开关元件S9、S11的集电极，输入电压Uin的负端连接开关元件S10、S12的发射极；开关元件S9的发射极连接二极管D7的阳极，二极管D7的阴极连接第三副边绕组中间抽头上半部分绕组的同名端，第三副边绕组中间抽头上半部分绕组N7的异名端与第三副边绕组中间抽头下半部分绕组N8的同名端连接，且其连接点与电感L3的一端连接，第三副边绕组中间抽头下半部分绕组的异名端与二极管D8的阳极连接，二极管D8的阴极连接开关元件S10的集电极；开关元件S11的发射极与开关元件S12的集电极相连接，且其连接点与电感L3的另一端以及负载相连接。

3.如权利要求2所述的LED照明装置，其特征在于，所述三相控制器控制开关S1和S2交替导通、S3和S4交替导通、S5和S6交替导通、S7和S8交替导通、S9和S10交替导通、S11和S12交替导通，各输出相通过各自电感L1、L2、L3和各开关元件的寄生电容构成的共振回路，在各开关元件的端电压为0时导通各开关元件，从而实现零电压开通。

4.如权利要求2所述的LED照明装置，其特征在于，所述的开关管为IGBT或MOSFET。

5.如权利要求2所述的LED照明装置，其特征在于，所述输入电压为蓄电池、燃料电池或光伏电池。

6.如权利要求2所述的LED照明装置，其特征在于，所述二极管均采用快恢复二极管或者肖特基二极管。

7.如权利要求2所述的LED照明装置，其特征在于，所述负载为三相交流负载或者三相整流电路。

8.如权利要求1所述的LED照明装置，其特征在于，所述充电电路包括集成电路、电阻、电容、稳压管、电感、负温度系数电阻。